Dissertations / Theses on the topic 'Cendres volcaniques'

Le but de ce travail a été de réaliser des études téphrostratigraphiques sur des environnements sédimentaires variés dans le but de définir, dans un premier temps, le degré d'efficacité des techniques de détection des téphras classiquement utilisées. Le travail d'analyse des cendres volcaniques a tout d'abord été ciblé sur des téphras clés et anciennement étudiés sur des sites reconnus, en Belgique et dans le Massif du Jura, dans le but d'actualiser des données avec les techniques d'analyses performantes actuelles. Le travail a ensuite été étendu à des sites de l'Est du Massif Central, dont le potentiel téphrostratigraphique n'avait jamais été exploité, offrant ainsi la possibilité de s'assurer sans ambiguïté de la source de cryptotéphras repérés dans le Jura et en Suisse, dont l'origine était incertaine. Ce travail d'échantillonnage a été réalisé dans des milieux lœssiques, carbonatés et tourbeux permettant également de discuter des conditions de conservation des dépôts volcaniques et de leurs constituants. Les études téphro-chrono-stratigraphiques s'inscrivent fréquemment dans une réflexion sur l'impact écologique et environnemental des éruptions volcaniques. Un nombre croissant d'études tendent à montrer un impact écologique des téphras, en étant la cause de bloom de diatomées. Ce travail de thèse a permis de discuter de cet aspect environnemental qui a été mené dans le Jura, dans un environnement défavorable à la préservation des diatomées
The challenge of this work was to carry out several tephrostratigraphic studies in various sedimentary environments in order to test the efficiency of classical detection methods of tephra layers. First, analysis has been focused on tephra keys, previously studied in known sites, in Belgium and in the Jura Mountains, in order to update data with current analytical techniques. This work was later expanded to sites from eastern French Massif Central, an area with unexploited tephrostratigraphic potential, which offers the possibility to precise the source of cryptotephras identified in the Jura and Switzerland whose origin was uncertain. This work has been carried out in tephras sampled in loess, carbonate maris and peat allowing to discuss conservation conditions of volcanic deposits. Sorne tephro-chrono-stratigraphic studies show ecological and environmental impacts of volcanic deposits in lakes and peatlands, such as diatom blooms. This thesis allows to discuss this environmental aspect in carbonate maris, i.e. an unfavorable environment for preservation of diatoms

Lors d'une éruption volcanique, une énorme quantité d'aérosols est émise dans l'atmosphère. En absorbant et en diffusant le rayonnement solaire, les cendres volcaniques influencent le bilan radiatif terrestre. Les aérosols peuvent être détectés par télédétection en utilisant par exemple des spectromètres embarqués sur des satellites. Ces instruments enregistrent le signal d'extinction d'une colonne atmosphérique mélangeant les apports de gaz et d'aérosols. À partir de ces observations, l'objectif principal est d'estimer la composition chimique, la taille et la concentration des particules. Dans le but de restituer ces paramètres, il est essentiel de déterminer l'indice complexe de réfraction m. Cependant, celui-ci est mal connu et reste l’une des principales sources d’incertitude. De ce fait, une nouvelle méthodologie a été appliquée afin de mesurer les spectres d'extinction de divers aérosols. Le système mécanique est utilisé pour générer un nuage de cendres volcaniques. Des spectromètres enregistrent les spectres d’extinction de l’UV-visible à l’infrarouge et la distribution en taille. La combinaison de données expérimentales et d'un processus itératif est utilisée afin de récupérer les constantes optiques n et k conduisant à l'indice de réfraction complexe m. Cette méthodologie a été appliquée à cinq échantillons de cendres volcaniques prélevés au Chili et en Islande. De plus, une analyse chimique a été réalisée pour chaque échantillon en utilisant la Fluorescence par rayons X (FRX) afin de déterminer le lien entre les propriétés optiques et chimiques. Enfin, les résultats obtenus grâce à la méthodologie sont utilisés pour l'inversion des cas d'étude d'IASI
During a volcanic eruption, a huge amount of aerosols are emitted into the. By absorbing and scattering solar radiation, volcanic ashes influence strongly the Earth radiative budget. These particles may also affect human health and may perturb or interrupt air traffic. Aerosols can be detected by remote sensing using for example spectrometers embarked on satellites. These instruments record the extinction signal of an atmospheric column mixing gas and aerosols contributions. From these observations, the main objective is to estimate the chemical composition, the size and the concentration of particles. With the aim of estimating these parameters, the key is to determine the complex refractive index m. However, the complex refractive index is badly known and stay one of the main source of uncertainty. For this purpose, a new methodology has been applied in order to measure the extinction spectra of various sampling aerosols. Mechanical system is used to generate a cloud of volcanic. Then aerosols are directed through two spectrometers and a particle sizer recording respectively the extinction spectra from UV-visible to Infrared and the size distribution. A combination of experimental data and an iterative process is used in order to retrieve the optical constants n and k leading to the complex refractive index m. This methodology has been applied for six volcanic ashes samples collected from Chile, Iceland and Italy. Moreover, a chemical analysis has been performed for each sample using X-ray fluorescence in order to determine the link between chemical and optical properties. Results obtained through the methodology are used for the inversion of study cases from IASI

Lors d'une éruption volcanique, une énorme quantité d'aérosols est émise dans l'atmosphère. En absorbant et en diffusant le rayonnement solaire, les cendres volcaniques influencent le bilan radiatif terrestre. Les aérosols peuvent être détectés par télédétection en utilisant par exemple des spectromètres embarqués sur des satellites. Ces instruments enregistrent le signal d'extinction d'une colonne atmosphérique mélangeant les apports de gaz et d'aérosols. À partir de ces observations, l'objectif principal est d'estimer la composition chimique, la taille et la concentration des particules. Dans le but de restituer ces paramètres, il est essentiel de déterminer l'indice complexe de réfraction m. Cependant, celui-ci est mal connu et reste l’une des principales sources d’incertitude. De ce fait, une nouvelle méthodologie a été appliquée afin de mesurer les spectres d'extinction de divers aérosols. Le système mécanique est utilisé pour générer un nuage de cendres volcaniques. Des spectromètres enregistrent les spectres d’extinction de l’UV-visible à l’infrarouge et la distribution en taille. La combinaison de données expérimentales et d'un processus itératif est utilisée afin de récupérer les constantes optiques n et k conduisant à l'indice de réfraction complexe m. Cette méthodologie a été appliquée à cinq échantillons de cendres volcaniques prélevés au Chili et en Islande. De plus, une analyse chimique a été réalisée pour chaque échantillon en utilisant la Fluorescence par rayons X (FRX) afin de déterminer le lien entre les propriétés optiques et chimiques. Enfin, les résultats obtenus grâce à la méthodologie sont utilisés pour l'inversion des cas d'étude d'IASI
During a volcanic eruption, a huge amount of aerosols are emitted into the. By absorbing and scattering solar radiation, volcanic ashes influence strongly the Earth radiative budget. These particles may also affect human health and may perturb or interrupt air traffic. Aerosols can be detected by remote sensing using for example spectrometers embarked on satellites. These instruments record the extinction signal of an atmospheric column mixing gas and aerosols contributions. From these observations, the main objective is to estimate the chemical composition, the size and the concentration of particles. With the aim of estimating these parameters, the key is to determine the complex refractive index m. However, the complex refractive index is badly known and stay one of the main source of uncertainty. For this purpose, a new methodology has been applied in order to measure the extinction spectra of various sampling aerosols. Mechanical system is used to generate a cloud of volcanic. Then aerosols are directed through two spectrometers and a particle sizer recording respectively the extinction spectra from UV-visible to Infrared and the size distribution. A combination of experimental data and an iterative process is used in order to retrieve the optical constants n and k leading to the complex refractive index m. This methodology has been applied for six volcanic ashes samples collected from Chile, Iceland and Italy. Moreover, a chemical analysis has been performed for each sample using X-ray fluorescence in order to determine the link between chemical and optical properties. Results obtained through the methodology are used for the inversion of study cases from IASI

Cette recherche doctorale porte sur l'utilisation des cendres volcaniques comme addition dans la construction, en se basant sur leurs propriétés pouzzolaniques. L’objectif de l'étude est de connaitre la réactivité des cendres volcaniques équatoriennes dans le but d’améliorer les propriétés mécaniques et la durabilité des mélanges de mortiers, bétons et sols, et de devenir une alternative viable et durable dans l'industrie de la construction de ce pays volcanique.Dans le premier chapitre, une étude bibliographique est menée sur les applications des cendres volcaniques, leur origine, leur situation géographique en Équateur et leur classification. Les compositions chimique et minéralogique des différents types de cendres volcaniques sont analysées. En outre, leurs comportements en combinaison avec le ciment et le sol sont étudiés, ainsi que leurs effets sur la résistance mécanique et la durabilité des produits de construction.Le deuxième chapitre porte sur une première description des échantillons de cendres volcaniques provenant de cinq grands volcans équatoriens : Tungurahua, Chalupas, Guagua Pichincha, Cotopaxi et Pululahua. Les méthodes utilisées pour les caractériser sont aussi décrites. Les tests comprennent des essais physiques (granulométrie, masse volumique), chimiques et minéralogiques (composition chimique, perte au feu, thermogravimétrie, diffraction des rayons X, microscopie) sur les cendres mais aussi des essais de réactivité (méthode Chapelle, essai R3), des essais mécaniques (compression simple) et des essais de durabilité (tenue à l’eau, résistivité électrique). L’objectif de ces essais est de permettre une évaluation précise des propriétés physiques et chimiques des échantillons et de leurs performances dans les mélanges.Le troisième chapitre est consacré à l'analyse de la réactivité de cendres volcaniques venant de cinq volcans équatoriens. En utilisant plusieurs méthodes complémentaires, les effets de ces cendres et de leur finesse sur le processus d'hydratation du ciment et sur leur capacité à former des composés de silicate de calcium hydraté (C-S-H et C-A-S-H), fondamentaux pour la résistance et la durabilité des mélanges et leur réactivité, sont examinés.Le dernier chapitre présente principalement les résultats des essais mécaniques effectués sur des mortiers, bétons et sols incorporant les cendres volcaniques. Des analyses supplémentaires telles que la diffraction des rayons X et la thermogravimétrie sont aussi incluses, ainsi que quelques essais de durabilité. Ces résultats permettent une évaluation détaillée du comportement des mélanges étudiés en termes de résistance et de durabilité à long terme.Cette étude apporte des connaissances précieuses sur l'utilisation des cendres volcaniques en tant que ressource renouvelable dans la construction, permettant l’utilisation de produits naturels présents en grande quantité dans de nombreux pays et réduisant la dépendance vis-à-vis des matériaux conventionnels à fort impact environnemental. Certaines cendres volcaniques étudiées, en raison de leur réactivité élevée et de leur grande disponibilité en Équateur, sont présentées comme une solution innovante et durable, contribuant au développement de pratiques de construction plus écologiques et plus efficaces
This doctoral research focuses on the use of volcanic ash as a supplementary material in construction, based on its pozzolanic properties. The aim of the study is to gain knowledge of the reactivity of Ecuadorian volcanic ash to improve the mechanical properties and durability of mortar mixes, concretes, and soils, and to become a viable and sustainable alternative in the construction industry of this volcanic country.In the first chapter, a literature review is carried out on the applications of volcanic ash, its origin, its geographical location in Ecuador, and its classification. The chemical and mineralogical compositions of the different types of volcanic ash are analyzed. In addition, their behavior in combination with cement and soil is studied, as well as their effects on the mechanical strength and durability of construction products.The second chapter provides an initial description of volcanic ash samples from five major Ecuadorian volcanoes: Tungurahua, Chalupas, Guagua Pichincha, Cotopaxi, and Pululahua. The methods used to characterize them are also described. The tests include physical (granulometry, density), chemical and mineralogical (chemical composition, loss on ignition, thermogravimetry, X-ray diffraction, microscopy) tests on the ash, as well as reactivity tests (Chapelle method, R3 test), mechanical tests (simple compression) and durability tests (water resistance, electrical resistivity). These tests aim to provide a precise assessment of the physical and chemical properties of the samples and their performance in mixtures.The third chapter is devoted to analyzing the reactivity of volcanic ash from five Ecuadorian volcanoes. Using several complementary methods, the effects of these ashes and their fineness on the cement hydration process and on their ability to form hydrated calcium silicate compounds (C-S-H and C-A-S-H), which are fundamental to the strength and durability of mixes and their reactivity, are examined.The final chapter mainly presents the results of mechanical tests carried out on mortars, concretes, and soils incorporating volcanic ash. Additional analyses such as X-ray diffraction and thermogravimetry are also included, as well as some durability tests. These results provide a detailed assessment of the behavior of the mixes studied in terms of long-term strength and durability.This study provides valuable knowledge about using volcanic ash as a renewable resource in construction, enabling the use of natural products in large quantities in many countries and reducing dependence on conventional materials with a high environmental impact. Due to their high reactivity and wide availability in Ecuador, some of the volcanic ashes studied are presented as an innovative and sustainable solution, contributing to the development of more environmentally friendly and efficient construction practices

Les écoulements pyroclastiques constituent des mélanges de cendres et de gaz volcaniques chauds fortements mobiles. Leur comportement fluide est attribué aux effets de fluidisation développés durant la propagation. Au cours de ce travail, nous avons mis en place un dispositif expérimental permattant de reproduire la dynamique de ces écoulements en laboratoire. Ces expériences ont été effectuées sur un chenal horizontal et à des températures suffisament élevées pour permettre l'utilisation de matériaux naturels (cendres volcaniques). Dans un premier temps, les propriétés d'expansion et de sédimentation (1-D) des cendres naturelles ont été étudiées dans le réservoir du dispositif. Les vitesses de sédimentation ont été déterminées après expansion initiale du mélange puis sédimentation (par coupure rapide de l'alimentation en gaz). Les écoulements ont ensuite été générés en ouvrant la porte coulissante du réservoir (après expansion des cendres jusqu'à une valeur donnée : 6-43 vol% dans le réservoir). Chaque écoulement est alors soumis à une défluidisation progressive durant la propagation jusqu'à son arrêt définitif. Cette étude a révélé que le transport non turbulant des cendres augmente fortement avec l'expansion initiale. Pour une expansion donnée la vitesse de sédimentation d'un écoulement est identique à celle mesurée à partir des expériences (1-D) effectuées dans le réservoir. La propagation et la sédimentation de l'écoulement, gouvernées par deux paramètres adimensionnés : le rapport d'aspect initial du mélange expansé dans le réservoir et le rapport d'un temps d'accélération gravitattionnelle et d'un temps de sédimentation, reflète un fort contrôle de la sédimentation

Les granulats vitreux de tuf volcanique a zeolites possedent des proprietes physiques et chimiques remarquables pour la creation de nouveaux amendements fertilisants. En exploitaant au mieux leurs proprietes (porosite, surface specifiques retention d'eau, capacite d'echange cationique), nous avons etudie l'interaction de l'orthophosphate acide (phosphate monopotassique) et de l'orthophosphate alcalin (phosphate d'iammonique) avec le tuf volcanique. Differentes figures d'interaction ont ete detectees : amorphes, cristallines et d'adsorption. Leur fraction est fonction des parametres physico-chimiques des traitements effectuees en autoclave. La gamme des composes obtenus presente un echelonnement des solubilites du phosphore, de l'ammonium et du potassium

En plus de la destruction des sites à proximités des volcans, l'accumulation de cendres volcaniques dans les zones distales peut causer de graves dommages. De plus l'évaluation de ces dangers n'est pas pleinement prise en compte dans les plans de mitigation actuels. L'étude de la dispersion des retombées pyroclastiques produites par les éruptions explosives des volcans Italiens lors du Quaternaire est le sujet de cette thèse. L'étude tephrostratigraphique de trois carottes lacustres des lacs de Shkodra et Ohrid (Albanie) et d'une carotte marine du Nord de la mer Ionienne a été réalisée. Dix-sept niveaux de tephra ont été corrélés aux éruptions explosives de A. D. 472, Avellino (3. 9 cal. Ka BP) du Vésuve, Monte Pilato (A. D. 1200), Gabellotto-Fiumebianco (8. 6 cal ka BP) et Monte Guardia (22 ka BP) de l'île de Lipari, FL (3. 4 cal. Ka BP) de l'Etna, Astroni (4. 2 cal. Ka BP), Agnano Monte Spina (4. 5 cal. Ka BP), Agnano Pomici Principali (12. 3 cal. Ka BP), SMP1-Y3 (31 ka) et l'Ignimbrite Campanienne-Y5 (39 ka) des Champs Phlégréens, X6 (107 ka) de la région Campanienne, et de P11 (131 ka) de l'île de Pantelleria. Cinq autres niveaux de tephra possèdent la composition que les dépôts de l'éruption vésuvienne de Mercato. Cela suggère une activité explosive entre les éruptions pliniennes de Mercato (8. 9 cal ka BP) et Avellino (3. 9 cal ka BP). Toutes ces données ont été intégrées, avec les données préexistantes de la littérature, dans la banque de données d'un SIG. Cette banque de données couplée à un SIG permet de grandement améliorer les dispersions des cendres et représente un outil qui améliore la mitigation des risques volcaniques dans la région centrale de la Méditerranée
In addition to the destruction of the sites close to the volcanoes, the accumulation of volcanic ash in distal zones can cause serious damages but the evaluation of the related hazard is not fully addressed in present day mitigation plans. The dispersion study joined with the physical and geochemical characterization, of distal pyroclastics deposits produced by explosive eruption of Italian volcanoes during late Quaternary was the focus of this PhD project. The distal deposits were investigated through the tephrostratigraphic study of three lacustrine cores from Lake Shkodra and Lake Ohrid (Albania), and one marine core from the northern Ionian Sea. Seventeen tephra layers were correlated with explosive eruptions of A. D. 472, Avellino (3. 9 cal. Ka BP) from Somma-Vesuvius, Monte Pilato (A. D. 1200), Gabellotto-Fiumebianco (8. 6 cal ka BP) and Monte Guardia (22 ka BP) from Lipari Island, FL (3. 4 cal. Ka BP) from Mount Etna, Astroni (4. 2 cal. Ka BP), Agnano Monte Spina (4. 5 cal. Ka BP), Agnano Pomici Principali (12. 3 cal. Ka BP), SMP1-Y3 (31 ka) and Campanian Ignimbrite-Y5 (39 ka) from Phlegrean Fields, X6 (107 ka) from Campanian, P11 tephra layer (131 ka) from Pantelleria Island. Five other tephra layers have the Mercato deposit composition from Somma-Vesuvius. This suggests the occurrence of interplinian activity between the eruptions of Mercato (8. 9 cal ka BP) and Avellino (3. 9 cal ka BP). All the data were collated into a GIS and integrated with literature data. This data-base implemented in a GIS environment allows a significant improvement of the ash dispersal and represents an useful tool for the improvement of volcanic hazard mitigation in Central Mediterranean area

En plus de la destruction des sites à proximités des volcans, l'accumulation de cendres volcaniques dans les zones distales peut causer de graves dommages. De plus l'évaluation de ces dangers n'est pas pleinement prise en compte dans les plans de mitigation actuels. L'étude de la dispersion des retombées pyroclastiques produites par les éruptions explosives des volcans Italiens lors du Quaternaire est le sujet de cette thèse. L'étude tephrostratigraphique de trois carottes lacustres des lacs de Shkodra et Ohrid (Albanie) et d'une carotte marine du Nord de la mer Ionienne a été réalisée. Dix-sept niveaux de tephra ont été corrélés aux éruptions explosives de A.D. 472, Avellino (3.9 cal. ka BP) du Vésuve, Monte Pilato (A.D.1200), Gabellotto-Fiumebianco (8.6 cal ka BP) et Monte Guardia (22 ka BP) de l'île de Lipari, FL (3.4 cal. ka BP) de l'Etna, Astroni (4.2 cal. ka BP), Agnano Monte Spina (4.5 cal. ka BP), Agnano Pomici Principali (12.3 cal. ka BP), SMP1-Y3 (31 ka) et l'Ignimbrite Campanienne-Y5 (39 ka) des Champs Phlégréens, X6 (107 ka) de la région Campanienne, et de P11 (131 ka) de l'île de Pantelleria. Cinq autres niveaux de tephra possèdent la composition que les dépôts de l'éruption vésuvienne de Mercato. Cela suggère une activité explosive entre les éruptions pliniennes de Mercato (8.9 cal ka BP) et Avellino (3.9 cal ka BP). Toutes ces données ont été intégrées, avec les données préexistantes de la littérature, dans la banque de données d'un SIG. Cette banque de données couplée à un SIG permet de grandement améliorer les dispersions des cendres et représente un outil qui améliore la mitigation des risques volcaniques dans la région centrale de la Méditerranée.

L'élimination définitive des véhicules hors d'usage constitue une problèmatique environnementale mondiale. Il existe en Europe des entreprises dédiées au démontage et à la récupération de leurs composants qui peuvent alors être réutilisés, parmi lesquels on trouve notamment les déchets plastiques.Dans la première partie de cette recherche, il a été proposé de traiter ces déchets plastiques par un procédé pyrolytique afin de les transformer en déchets solides, à utiliser dans le cadre des additifs dans un système ignifuge dans une matrice polypropylène.Les résidus de véhicule ont ainsi été séparés en utilisant les méthodes d'essai standard pour la densité et la gravité spécifique, puis ont été caractérisés et enfin incorporés dans un processus de pyrolyse thermique aboutissant à la formation d'un résidu pyrolytique solide (RSP). Le RSP fut ensuite incorporé à un mélange de polymères (polypropylène, polyphosphate d'ammonium et pentaérythritol).Les propriétés thermiques, mécaniques et d'inflammabilité ont alors été évaluées par analyse thermogravimétrique, module d'élasticité, résistance à la traction, pourcentage de déformation et indice limite d'oxygène.Dans la deuxième partie de cette recherche, il a été déterminé et comparé si les déchets solides traités thermiquement (RS-T), issus de la pyrolyse des déchets plastiques, les cendres volcaniques (CV) et les cendres de balle de riz (CR) ont une action synergique lorsqu'ils sont ajoutés aux additifs ignifuges de polypropylène (tels que le polyphosphate d'ammonium et le pentaérythritol). Ces matériaux ont été caractérisés par analyse d'adsorption d'azote (méthode de Brunauer-Emmett-Teller), fluorescence X et diffraction des rayons X. La présence abondante de SiO2 et Al2O3, qui sont considérés comme des minéraux ignifuges, a été déterminée.Des composites à matrice polymère composés de polypropylène, de polyphosphate d'ammonium, de pentaérythritol et de matériaux CV, CR et RS-T (à 1% à 9% de concentration) ont été synthétisés. La stabilité thermique et la résistance au feu des mélanges de polymères obtenus ont été évaluées par l'indice limite d'oxygène, l'analyse thermogravimétrique et la calorimétrie à cône. Il a été constaté que ces matériaux ont une action synergique avec les additifs ignifuges au vu de l'augmentation de la résistance au feu mesurée.Dans la dernière partie de cette recherche, l'influence des zéolithes naturelles obtenues à partir des cendres du volcan Ubinas, en tant qu'agents synergiques dans un système ignifuge, a été étudiée. Quatre zéolithes ont été synthétisées à partir de cendres volcaniques calcinées et non calcinées, puis ont été placées dans une solution alcaline à trois températures de synthèse. Les zéolithes ont ensuite été caractérisées par diffraction des rayons X, analyse par adsorption d'azote (méthode Brunauer-Emmett-Teller) et microscopie électronique à balayage.Des mélanges de polymères de polypropylène ont alors été préparés avec du polyphosphate d'ammonium, du pentaérythritol et les zéolites à 1, 5 et 9%. Leur stabilité thermique et leur résistance au feu ont été évaluées par analyse thermogravimétrique, indice limite d'oxygène, test d'inflammabilité verticale ULV-94 et calorimétrie à cône, leur structure morphologique a été testée par microscopie électronique à balayage. Nous avons observé que la température de synthèse et l'utilisation de cendres volcaniques calcinées et non calcinées ont une influence sur les caractéristiques des zéolithes et sur leur action synergique avec les retardateurs de flamme et donc, sur leurs propriétés ignifuges
The final disposal of vehicles at their end-of-life is generating a world environmental problem. Nowadays, in Europe there are companies dedicated to the disassembly and recovery of the components that can be reused, being plastic wastes among these components. Thus, in the first part of this research, it was proposed to treat these plastic wastes through a pyrolytic process in order to transform them into solid wastes, to be used as part of the additives in a flame retardant system for a polypropylene matrix. Vehicle residues were segregated according to their densities and characterized. They were subsequently incorporated into a thermal pyrolysis process giving, as a result, a solid pyrolytic residue (RSP). Using the RSP, the polymer blends were prepared composed of polypropylene, ammonium polyphosphate and pentaerythritol. Their thermal, mechanical and flammability properties were evaluated by thermogravimetric analysis, modulus of elasticity, tensile strength, percentage of deformation and the limiting oxygen index.In the second part of this research, it was determined and compared whether the heat treated solid waste from the pyrolysis of plastic waste of vehicles (RS-T), volcanic ash (CV) and rice husk ash (CR) have any synergistic action when added to polypropylene flame retardant additives (such as ammonium polyphosphate and pentaerythritol). These materials were characterized by nitrogen adsorption analysis (Brunauer-Emmett-Teller method), X-ray fluorescence and X-ray diffraction. The abundant presence of SiO2 and Al2O3 was determined, which are considered flame-retardant minerals. Polymer matrix composites were synthetized, which were composed of polypropylene, ammonium polyphosphate, pentaerythritol and CV, CR and RS-T materials (at 1% to 9% by wt.). The thermal stability and fire resistance of the synthesized polymer mixtures were evaluated through the limiting oxygen index, thermogravimetric analysis and cone calorimetry. It was determined that these materials have a synergistic action with flame-retardant additives as an increase in their fire resistance has been demonstrated.In the final part of this research, the influence of natural zeolites obtained from ashes of the Ubinas volcano, as synergistic agents in a flame-retardant system, has been studied. Four different zeolites were synthesized from volcanic ash, including calcined and not calcined ashes, being placed in an alkaline solution at three synthesis temperatures. Zeolites were characterized by X-ray diffraction, nitrogen adsorption analysis (Brunauer-Emmett-Teller method) and scanning electron microscopy. Polypropylene polymer blends were prepared with ammonium polyphosphate, pentaerythritol and the zeolites at 1, 5 and 9% (by wt.). Their thermal stability and fire resistance were evaluated by thermogravimetric analysis, limiting oxygen index, ULV-94 vertical flammability test and cone calorimetry. Their morphological structure was tested by scanning electron microscopy. It was determined that the synthesis temperature and the use of calcined and non-calcined volcanic ashes has an influence on the characteristics of zeolites and on their synergistic action with flame retardants and therefore, on their flame-retardant properties

Les panaches volcaniques produits par les éruptions explosives représentent un aléa majeur dans les zones à proximité de volcans. Les modèles physiques développés ces quarante dernières années ont eu pour but de mieux comprendre ces éruptions et de quantifier les aléas associés. Les tests de robustesse de ces modèles prédictifs doivent reposer sur des données de terrain précises et détaillées sur les éruptions passées des volcans actifs. Nous proposons dans cette thèse de revisiter l’histoire éruptive plinienne de la montagne Pelée en Martinique (Petites Antilles) sur les vingt-quatre derniers milliers d’années. Nos résultats combinant travaux de terrain et datations au 14C nous permettent d’établir une nouvelle chronologie des éruptions passées en accord avec les observations réalisées sur un carottage des fonds sous-marins. Nous reconstruisons par la suite l'évolution dynamique des éruptions nouvellement découvertes de Bellefontaine (13 516 ans cal A.P.), Balisier (14 072 cal A.P.), Carbet (18 711 cal A.P.) et Étoile (21 450 cal A.P.) dont le grand intérêt réside dans leur axe de dispersion vers le sud, inhabituel et englobant des zones considérées comme sécurisées sur les cartes d’aléa actuelles. Les fortes similitudes observées entre toutes les éruptions pliniennes documentées de la montagne Pelée permettent de dresser un portrait du scénario éruptif le plus susceptible de se produire dans le futur. Ce scénario pouvant inclure un effondrement de la colonne éruptive et la production de coulées de densité pyroclastiques, nous modifions un modèle physique 1D de panache volcanique afin d'en améliorer les prédictions. Nous étudions dans un premier temps l'impact de la distribution de taille des fragments volcaniques sur la transition d’une colonne plinienne stable à une fontaine en effondrement. L'effet du vent est ensuite pris en compte grâce à des expériences en laboratoire inédites permettant de simuler des jets turbulents se formant dans un environnement soumis au vent. Nous proposons ainsi un nouveau modèle théorique validé par les expériences qui remet en cohérence les données de plusieurs éruptions pliniennes historiques majeures. Nous étudions ensuite la dispersion des cendres volcaniques lors des éruptions de Bellefontaine et Balisier à l'aide d'un modèle physique 2D pour comprendre l'origine de leur direction préférentielle vers le sud, et donc vers Fort-de-France, chef-lieu de la Martinique. Nos résultats permettent d’identifier des contextes atmosphériques particuliers durant lesquels le trajet du « jet-stream » subtropical est modifié, produisant alors des vents venant du nord sur la Martinique et pouvant disperser des cendres volcaniques sur les zones les plus peuplées. Cette approche intégrée, mêlant études de terrain, simulations numériques et expériences en laboratoire, nous permet alors de dresser une nouvelle carte d’aléa volcanique pour la Martinique considérant pour la première fois les éruptions pliniennes passées de la montagne Pelée depuis 24 000 ans, ainsi que la variabilité mensuelle des vents atmosphériques
Volcanic plumes produced by explosive eruptions represent a major threat in areas located near volcanoes. Physical models have been developed over the past forty years with an aim of better understanding these eruptions and assessing associated hazards. To test these models, we need robust and detailed field data from past and historical eruptions at active volcanoes. In this PhD work, we revisit the Plinian eruptive history of the Mount Pelée volcano in Martinique (Lesser Antilles) for the last 24,000 years. Our results combining new extensive field studies and carbon-dating measurements allow us to establish a new chronology of past eruptions, consistent with volcanic deposits identified in a deep-sea sediment core. We then reconstruct the dynamical evolution of the newly discovered eruptions of Bellefontaine (13,516 years cal BP), Balisier (14,072 cal BP), Carbet (18,711 cal BP) and Étoile (21,450 cal BP), whose great interest stems from their unusual southward dispersal axis encompassing areas that are considered to be safe in current hazard maps. The strong similarities observed between all documented Plinian eruptions of Mount Pelée volcano allow us to draw an accurate picture of the Plinian eruptive scenario most likely to occur in the future. This scenario may include a column collapse and the production of deadly pyroclastic density currents; we thus upgrade a 1D physical model of volcanic plume in order to improve its predictions. We first study the impact of the total grain-size distribution on the transition from a stable Plinian plume to a collapsing fountain. The effect of wind is then taken into account using laboratory experiments simulating turbulent jets rising in a windy environment. This new theoretical model, validated by laboratory experiments, is consistent with field data from several major historical Plinian eruptions. We then study the southward dispersal axis of the Bellefontaine and Balisier eruptions using a 2D physical model, in order to better understand this unusual dispersion towards Fort-de-France, capital of Martinique. Our results allow identifying peculiar atmospheric circulations associated to a modification of the subtropical jet-stream path, thus producing northerly winds over Martinique and spreading tephra towards the most populated areas of the island. This integrated approach, combining field studies, theoretical predictions and laboratory experiments, allows us to build a new volcanic hazard map for Martinique by taking into account for the first time the Plinian eruptions of the Mount Pelée volcano of the last 24,000 years, together with monthly variability of atmospheric winds

VOLDORAD, un radar Doppler UHF moyenne puissance, est un système portable basé au sol, développé par l'Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand (France), spécifiquement pour l'étude de l'activité volcanique explosive. La capacité de ces méthodes de télédétection à sonder l'intérieur des jets et des panaches volcaniques dangereux constitue un vrai pas en avant concernant l'analyse des paramètres physiques qui contrôlent la dynamique des éruptions volcaniques. L'objectif principal de cette thèse est d'apporter des contraintes plus précises, notamment à partir du développement de procédures méthodologiques, sur l'interprétation des données radar Doppler, dans le but final d'améliorer notre compréhension de la dynamique explosive. Ce travail a été réalisé à partir de mesures radar Doppler acquises pendant l'éruption du cratère Sud-Est de l'Etna en Juillet 2001, et s'intéresse plus particulièrement à l'activité Strombolienne. Cependant, les méthodes de traitement, les modèles directs et les procédures d'inversion développés dans cette étude ont été réalisés dans une optique plus générale, et applicable sur différents types de dynamismes. L'étude détaillée de l'activité Strombolienne par la méthode radar Doppler a permis d'obtenir une large gamme de paramètres sources, notamment : les vitesses et masses de gaz et de particules, ainsi que les caractéristiques géométriques des jets. L'estimation quantitative précise de ces paramètres et de leur évolution au cours du temps est cruciale pour (1) la surveillance et la détection précoce de l'activité volcanique, ainsi que (2) pour l'apport de contraintes sur les hypothèses formulées dans les modèles de dynamique éruptive et dans les modèles de prédiction de dispersion des cendres, indispensables à la minimisation des risques.

Les travaux de cette thèse reposent sur l'étude des processus hétérogènes à la surface desparticules minérales en présence d'irradiation UV-A. Nous savons que les poussièresminérales contiennent des oxydes métalliques pouvant absorber la radiation solaire et ainsiactiver une chimie très différente de celle observée à l'obscurité. Un réacteur à écoulementd'aérosols a été utilisé pour étudier les interactions des gaz (SO2, NO2 et O3) avec devéritables poussières minérales, évitant ainsi les artéfacts de mesure liés à la naturemacroscopique des films comme dans les études précédentes.La mise en suspension des poussières minérales a permis d'observer une formation inattenduede nouvelles particules ultrafines en présence de SO2. Le mécanisme proposé pour expliquerce phénomène de nucléation suggère une désorption de radicaux OH photoproduits à lasurface des minéraux vers la phase gazeuse. Ce mécanisme a pu être corroboré par descampagnes de mesure en atmosphère réelle. Nous avons étudié la chimie des échantillons de réelles cendres volcaniques issus de la dernière éruption du volcan Eyjafjallajökull en Islande (2010). Ceci nous a permis d'élaborerdes cinétiques de capture du SO2 sur des films macroscopiques de cendres aboutissant à descoefficients de capture de l'ordre de 10-7. Ces cinétiques couplées à des analyses chimiquesont permis de proposer un mécanisme réactionnel expliquant la formation de sulfate de fer àla surface des cendres. Finalement, nous avons étudié les interactions photochimiques de O3 et NO2 sur les poussièresminérales dans le réacteur à écoulement mettant en évidence un bon accord avec des étudesantérieures sur des surfaces macroscopiques

Les mesures sont des actes quotidiens, elles nous donnent beaucoup d'informations et permettent de prendre des décisions. L'analyse des mesures peut nous permettre d'en apprendre plus sur notre environnement, mais l'erreur d'une mesure peut avoir des conséquences importantes dans certains domaines. Dans une première partie, nous proposons, grâce à l'étude de mesures d'analyses sanguines réalisées au CHU de Clermont-Ferrand, une procédure permettant de détecter les dérives des analyseurs de laboratoires de biologie médicale, se basant sur les mesures d'analyses de patients. Après une analyse descriptive des données, la méthode mise en place, utilisant des méthodes de détection de ruptures de séries temporelles, est testée pour des simulations de ruptures représentant des décalages, des imprécisions ou des dérives d'analyseurs pour différents paramètres biologiques mesurés. La méthode est adaptée pour deux scénarios : lorsque l'on connaît ou non le service hospitalier des patients. L'étude est complétée par une analyse de l'impact de l'incertitude de mesure sur les analyses des patients. Dans une seconde partie nous étudions des mesures de formes de cendres volcaniques réalisées au Laboratoire Magmas et Volcans de l'Université Clermont Auvergne, dans le but de déterminer un lien entre les lieux de collecte et les formes des particules. Après avoir montré la dépendance entre ces paramètres, nous proposons, grâce une méthode de classification, un regroupement des particules représentant différentes populations dépendantes de la distance entre les lieux de collecte et le cratère du volcan
The measures are daily actions, they give us a lot of information and allow us to make decisions. The analysis of measures can allow us to learn more about our environment, but the error of a measure can have important consequences in certain areas. In a first part, we propose, thanks to the study of blood test measurements carried out at the CHU of Clermont-Ferrand, a procedure for detecting deviations from medical biology laboratory analyzers based on patient analysis measurements. After a descriptive analysis of the data, the method put in place, using methods of detection of breaks of time series, is tested for simulations of breaks representing offsets, imprecision or drifts of machine for different measured biological parameters. The method is adapted for two scenarios: when the patient's hospital service is known or not. The study is supplemented by an analysis of the impact of measurement uncertainty on patient analyses. In a second part we study measurements of volcanic ash forms made at “Laboratoire Magmas et Volcans” of the Clermont Auvergne University, in order to determine a link between the collection locations and the forms of the particles. After showing the dependence between these parameters, we propose, using a classification method, a grouping of particles representing different populations depending on the distance between the collection locations and the volcano crater

Les éruptions basaltiques sont de plus en plus étudiées au sein de nombreux volcans. Cependant, les processus pré- et syn-éruptifs gouvernant ces éruptions ne sont pas entièrement compris. Dans le but de caractériser et comprendre l’ensemble des mécanismes opérant depuis le système magmatique superficiel jusqu’à la surface, cette thèse est principalement axée sur l'étude des produits éruptifs du Piton de la Fournaise (île de la Réunion, France), qui est l'un des volcans les plus actifs au monde. Des analyses texturales et géochimiques sur les pyroclastes et les laves sont conjointement réalisées dans le but d’identifier des paramètres clés pouvant être reliés à des processus magmatiques majeurs, à des dynamiques éruptives et à des mécanismes de fragmentation. Lorsque cela est pertinent, ces interprétations sont intégrées à des données de surveillance pré- et syn-éruptives acquises au sol ou par télédétection.Le premier objectif de cette étude intégrée est de mieux comprendre les mécanismes à l’origine des surpressions magmatiques et des dynamiques éruptives lors des éruptions récentes du Piton de la Fournaise. Au cours de l’éruption de Juin 2014, les déclenchements éruptifs ainsi que les transitions syn-éruptives d’un régime hawaiien vers un régime strombolien relativement faible, associés à une diminution du flux lavique, ont été liés à une vésiculation et à une surpression pré-éruptive du magma qui furent indirectement mises en évidence par l’émission de pyroclastes de type golden pumice (pyroclastes très vésiculés et vitreux). Au contraire, l’éruption de Juillet 2015 (émission de golden pumice relativement rare) a été déclenchée par un apport magmatique superficiel qui a pu être identifié au sein des signatures texturales et géochimiques des produits éruptifs.Un an plus tard, une autre éruption de courte durée s'est produite en Septembre 2016, produisant beaucoup de pyroclastes de type golden pumice. Cependant, cette éruption dominée par des fontaines de lave, se comporta de manière atypique et fut associée à une augmentation du flux lavique et d’une émission inhabituelle de cendres lors du dernier jour de l’activité éruptive. Le deuxième objectif de la thèse est donc d’améliorer nos connaissances sur la transition d’une activité hawaiienne (associée à l’émission de pyroclastes de type golden pumice et fluidal scoria) vers une activité plus explosive associée à l’émission de scories et de cendres relativement denses et riches en cristaux, de type transitional et opaque. Les analyses texturales et chimiques des produits éruptifs confirment l'hypothèse selon laquelle ces scories et cendres denses sont issues du refroidissement et du dégazage à pression ambiante du magma initialement vésiculé et peu cristallisé. Il est donc possible de former un bouchon faiblement perméable, provoquant des impulsions magmatiques pressurisées à faible profondeur et une activité explosive transitoire sous l’influence et la remontée tardive d’un magma relativement peu dégazé. Il est communément admis que l’activité effusive représente la majorité du volume magmatique émis au sein des volcans boucliers basaltiques. Cependant, l’éruption de Septembre 2016 a montré que les éruptions basaltiques peuvent parfois produire des aléas liés à des émissions de cendres non-négligeables. Par conséquent, le troisième but de la thèse est de rassembler une série d’échantillons correspondant aux principales éruptions historiques et récentes des volcans du Piton de la Fournaise et du Karthala (île de Ngazidja, Comores). (...)
Basaltic eruptions are increasingly studied in a lot of active volcanoes around the world. Yet, their pre- and syn-eruptive processes are not fully understood. In order to characterize and understand the set of mechanisms occurring from the shallow magmatic system to the surface, this thesis is focused on the study of the eruptive products of Piton de la Fournaise volcano (La Réunion Island, France), which is one of the most active volcano in the world. Integrated textural and chemical analysis on tephra and lava are performed to identify some key parameters which can be related to major magmatic processes, eruptive dynamics and fragmentation processes. When it is available and relevant, these interpretations are integrated with pre- and syn-eruptive monitoring measurements acquired by ground-based and remote sensing observation systems.The first objective of this integrated study is to gain insight on the magmatic overpressure, conduit and eruptive dynamics during basaltic dyke eruptions. During the June 2014 eruption, eruptive triggers and syn-eruptive transitions from Hawaiian-style to mild Strombolian-style activities, associated with a decreasing of the lava flux, have been related to a second boiling mechanism and a pre-eruptive pressurization which was indirectly evidenced by golden pumice emission (highly vesicular and glassy tephra). On the contrary, the July 2015 eruption (relatively scarce golden pumice emission) was triggered by a shallow magmatic input that was tracked in the textural and chemical features of the eruptive products.On year later, another short-lived eruption occurred on September 2016, which emitted a lot of golden pumice. However, this eruption, dominated by Hawaiian fountaining, behaved atypically with an increase in lava flux associated with uncommon ash emission the last day of the eruptive activity. Thus, the second objective of the thesis is to improve our comprehension on the transition from Hawaiian-style (associated with golden pumice and fluidal scoria) to more explosive activities (associated with dense, crystal-rich opaque scoria and ash emission). The integrated study on this eruption supports the hypothesis that the opaque scoria and ash were inherited from the sub-surface cooling and degassing of the golden pumice material. This suggests the formation of a low-permeable plug, which modulated overpressure pulses at shallow levels and transient explosive activity under the late input of a relatively undegassed and ascending magma. It is commonly accepted that effusive activity represents the main emitted magmatic volume in basaltic shield volcanoes. However, the September 2016 eruption reminded us that basaltic eruptions can sometime produce hazards related to ash-dominated events. Therefore, the third purpose of the thesis is to bring together a comprehensive sampling of tephra from major historical and recent eruptions at Piton de la Fournaise and Karthala (Ngazidja Island, Comoros) volcanoes. The study of these different deposits reveals very different textural characteristics reflecting different fragmentation processes, as ductile fragmentation, brittle fragmentation (triggered by syn-eruptive crystallization of the juvenile magma), interactions between magma and external fluids, high magma ascent velocities and shear-induced fragmentation mechanisms during caldera collapse events.All these insights expose a lot of different magmatic and fragmentation processes which highlight the complexity of the mechanisms driving such basaltic eruptions. This thesis only represent a part of the research possibilities on basaltic eruptions. In the future, many additional laboratory studies and real-time monitoring of the eruptive activity can be performed in order to even better understand and better predict the change in eruptive activity than can represent unexpected threats to the environing populations

Les panaches volcaniques de téphras constituent un des aléas volcaniques majeurs. Pour prévoir leur dispersion et les zones d'impacts de leurs retombées, des modèles numériques sont utilisés en opérationnel et basés sur des paramètres éruptifs, regroupés sous la notion de terme source, caractérisant l'émission des panaches. L'ensemble du terme source est cependant difficile à mesurer en temps réel. C'est pourquoi les modèles de dispersion sont souvent basés sur des scénarios d'éruptions passées et utilisent des lois empiriques reliant la hauteur des panaches avec les flux massiques à la source. Cependant, les résultats qui découlent de ces modèles sont peu contraints, moyennés sur la durée des éruptions, et souffrent de larges incertitudes. Dans cette optique, les radars Doppler, capables de sonder l'intérieur des colonnes éruptives avec des échelles spatio-temporelles fines, peuvent fournir des contraintes cruciales sur le terme source des panaches en temps réel. Ce travail de thèse traite des applications de radars volcanologiques dédiés, potentiellement transposables aux radars météorologiques communément utilisés, afin de fournir des paramètres éruptifs à la source des panaches de téphras en surveillance opérationnelle mais également pour contraindre la dynamique des colonnes éruptives et les charges internes des panaches et de leurs retombées. Une campagne de mesures au volcan Stromboli a permis de montrer les capacités d'un couplage innovant entre un disdromètre optique (Parsivel2) avec un nouveau radar Doppler à onde millimétrique (Mini-BASTA). Grâce à l'excellente résolution spatio-temporelle de Mini-BASTA (12,5 m et 1 s), des figures intermittentes de sédimentation ont été observées dans les retombées de panaches transitoires dilués. Observées également au disdromètre mesurant la vitesse et la taille des retombées, ces figures ont été reproduites en laboratoire grâce à un modèle analogique. Un modèle conceptuel de formation de thermiques de sédimentation inversés est proposé pour expliquer ces figures et implique que les processus menant à une sédimentation irrégulière typique des panaches soutenus et concentrés peuvent s'appliquer à des panaches dilués, y compris ceux issus d'éruptions Stromboliennes normales en régime transitoire. Ensuite, une caractérisation physique d'un grand nombre de particules de cendres échantillonnées à Stromboli a permis de valider les mesures de tailles et de vitesses terminales de chutes par disdromètre sur le terrain et en laboratoire, justifiant par ailleurs son utilisation opérationnelle. A partir de ces contraintes, une loi reliant les concentrations de cendres avec les facteurs de réflectivité calculés a pu être comparée aux mesures radar in situ. Les concentrations internes modale et maximale des panaches de Stromboli sont respectivement autour de 1 × 10-5 kg m-3 et 7,45 × 10-4 kg m-3, largement supérieures au seuil fixé pour la sécurité aérienne. Les concentrations en cendres des retombées s’étalent entre 1,87 × 10-8 - 2,42 × 10-6 kg m-3 avec un mode vers 4 × 10-7 kg m-3.Finalement, ce travail de thèse montre les applications opérationnelles du radar UHF VOLDORAD 2B dans le cadre de la surveillance de l'activité de l'Etna. Une méthodologie, applicable à tout radar Doppler, a été développée pour obtenir des flux de masse de téphras en temps réel à partir d’un proxy de masse, uniquement basé sur les vitesses d'éjection et puissances mesurées, calibré avec un modèle de colonne tenant compte de l'influence du vent sur les panaches. La gamme de flux trouvée pour 47 paroxysmes entre 2011 et 2015 s’étend de 2.96 × 104 à 3.26 × 106 kg s-1. A partir d’un autre modèle de colonne éruptive, Plume-MoM, les flux radar ont permis de modéliser des hauteurs des panaches de téphras émis lors de quatre paroxysmes de l'Etna cohérentes avec les observations faites en temps réel par imagerie visible et par radar en bande-X. (...)
Volcanic tephra plumes are one of the major volcanic hazards. To forecast their dispersion and the impact zones of their fallout, the numerical models used in operational monitoring are based on eruptive parameters, called the source term, characterizing the plume emission. Source term parameters are challenging to measure in real time. This is why dispersion models are often based on past eruptive scenarios and use empirical laws that relate plume heights to source mass fluxes. However, the model outputs are not well constrained, averaged over the eruption duration, and suffer from large uncertainties. In this topic, Doppler radars are capable of probing the interior of eruptive columns and plumes at high space-time resolution and can provide crucial constraints on the source term in real time. This thesis deals with applications in operational monitoring of dedicated volcanological radars, potentially transposable to most common meteorological radars, to provide eruptive parameters at the source of tephra plumes but also to constrain the dynamics and internal mass load of eruptive columns, volcanic plumes and their fallout.A measurement campaign at Stromboli volcano has shown the capabilities of an innovative coupling between an optical disdrometer (Parsivel2) and a new 3-mm wave Doppler radar (Mini-BASTA). Owing to its high spatio-temporal resolution (12.5 m and 1 s), intermittent sedimentation patterns were observed in the fallout of dilute transient plumes typical of normal strombolian activity. These features, also recorded with the disdrometer, measuring the particle settling speeds and sizes, were reproduced in the laboratory using an analog model. A conceptual model for the formation of reversed sedimentation thermals is proposed to explain these features. It implies that processes leading to irregular sedimentation typical of sustained concentrated strong plumes can be applied to dilute weak plumes, including those formed by normal transient Strombolian activity. Then, a physical characterization of a large number of ash particles sampled at Stromboli allowed the validation of particle size and terminal velocity measurements by the disdrometer in the field and in the laboratory, arguing in favor of its operational use. Then, a physical characterization of a large number of ash particles sampled at Stromboli allowed to validate the measurements of size and terminal velocity of falls by disdrometer in the field and in laboratory, justifying also its operational use. From these constraints, a law relating ash concentrations with calculated reflectivity factors was found and compared to in situ radar measurements inside ash plumes and fallout. The modal and maximum internal concentrations of Strombolian plumes are at about 1 × 10-5 kg m-3 and 7.5 × 10-4 kg m-3 respectively, well above the threshold for aviation safety. Ash concentrations in the fallout range from 1.9× 10-8 to 2.4 × 10-6 kg m-3 with a mode at about 4 × 10-7 kg m-3.Finally, this thesis work shows operational applications of the UHF VOLDORAD 2B radar for the monitoring of explosive activity at Etna. A methodology, applicable to any Doppler radar, has been developed to obtain tephra mass eruption rates in real time from a mass proxy, based only on measured ejection velocities and power, and calibrated with an eruptive column model taking crosswinds into account. Tephra mass fluxes found for 47 paroxysms between 2011 and 2015 range from 3 × 104 to over 3 × 106 kg s-1. Then, tephra plumes heights of four Etna paroxysms were simulated using the eruptive column model Plume-MoM from the radar-derived mass eruption rates and were found consistent with real-time observations made by visible imagery and by X-band radar. This last part demonstrates the capabilities of VOLDORAD 2B to provide quantitative input parameters for dispersion models in the case of future Etna paroxysms. (...)

En avril 2010, l’éruption de l’Eyjafjallajökull (Islande) a projeté des cendres sur toute l’Europe pendant six jours, causant d’importantes perturbations aériennes. Cette crise a soulevé la nécessité de mieux comprendre la dynamique des panaches lors de l’émission, de la dispersion, et de la retombée afin d’améliorer les modèles de suivis et de prédiction de ces phénomènes. Cette éruption a été classée comme Strombolienne. Ce type d’éruption offre un large panel de manifestations (coulée de lave, paroxysmes) et peut être utilisé comme indicateur d’éruptions plus dangereuses. Les éruptions stromboliennes permettent généralement une observation à quelques centaines de mètres tout en assurant la sécurité des opérateurs et du matériel. Depuis 2001, les caméras thermiques ont été de plus en plus utilisées pour comprendre la dynamique des évènements volcaniques. Toutefois, l’analyse, la modélisation et le post-traitement de ces données thermiques n’est toujours pas totalement informatisé. Durant ma thèse, j’ai étudié les différentes composantes d’une éruption strombolienne depuis les fines particules éjectées au niveau du cratère jusqu’à la vision d’ensemble offerte par les images satellites. Dans l’ensemble, j’ai caractérisé les émissions volcaniques à travers l’imagerie thermique
In April 2010, the eruption of Eyjafjallajökull (Iceland) threw volcanic ash across northwest Europe for six days which led to air travel disruption. This recent crisis spotlighted the necessity to parameterise plume dynamics through emission, dispersion and fall out as to better model, track and forecast cloud motions. This eruption was labeled as a Strombolian-to-Sub-Plinian eruption type. Strombolian eruptions are coupled with a large range of volcanic event types (Lava flows, paroxysms) and eruption styles (Hawaiian, Sub-plinian) and offer a partial precursory-indicator of more dangerous eruptions. In addition, strombolian eruptions are small enough to allow observations from within few hundred meters with relative safety, for both operators and material. Since 2001, thermal cameras have been increasingly used to track, parameterise and understand dynamic volcanic events. However, analyses, modelling and post-processing of thermal data are still not fully automated. In this thesis, I focus on the different components of strombolian eruptions at the full range of remote sensing spatial scales. These range from millimeters for particles to kilometers for the entire features via satellite images. Overall, I aim to characterise volcanic emissions through thermal vision

Les travaux de cette thèse reposent sur l’étude des processus hétérogènes à la surface desparticules minérales en présence d’irradiation UV-A. Nous savons que les poussièresminérales contiennent des oxydes métalliques pouvant absorber la radiation solaire et ainsiactiver une chimie très différente de celle observée à l’obscurité. Un réacteur à écoulementd’aérosols a été utilisé pour étudier les interactions des gaz (SO2, NO2 et O3) avec devéritables poussières minérales, évitant ainsi les artéfacts de mesure liés à la naturemacroscopique des films comme dans les études précédentes.La mise en suspension des poussières minérales a permis d’observer une formation inattenduede nouvelles particules ultrafines en présence de SO2. Le mécanisme proposé pour expliquerce phénomène de nucléation suggère une désorption de radicaux OH photoproduits à lasurface des minéraux vers la phase gazeuse. Ce mécanisme a pu être corroboré par descampagnes de mesure en atmosphère réelle. Nous avons étudié la chimie des échantillons de réelles cendres volcaniques issus de la dernière éruption du volcan Eyjafjallajökull en Islande (2010). Ceci nous a permis d’élaborerdes cinétiques de capture du SO2 sur des films macroscopiques de cendres aboutissant à descoefficients de capture de l’ordre de 10-7. Ces cinétiques couplées à des analyses chimiquesont permis de proposer un mécanisme réactionnel expliquant la formation de sulfate de fer àla surface des cendres. Finalement, nous avons étudié les interactions photochimiques de O3 et NO2 sur les poussièresminérales dans le réacteur à écoulement mettant en évidence un bon accord avec des étudesantérieures sur des surfaces macroscopiques
The objective of this work is to study the heterogeneous processes of mineral dust surfacesunder UV-A radiation. It is know that mineral dust containing metal oxides which can absorbsolar radiation and therefore activate a different chemistry compared to that observed in thedark. In order to avoid measurement artifacts related to the nature of macroscopic films, anaerosol flow tube was developed during this work and applied to study the interactions ofSO2, NO2 and O3 with real mineral dust.An unexpected formation of new particles in the presence of SO2 was observed. In order toexplain this phenomenon, we suggest the desorption of OH radicals from the mineral dustsurface to the gas phase. This mechanism has also been supported by field campaigns.Using real samples of volcanic ash from the last eruption of Eyjafjallajökull in Iceland (2010)allowed us study capture of SO2 on macroscopic ashes films with uptake coefficient around10-7. Associated kinetic experiments combined with chemical analysis allowed us to propose areaction mechanism explaining the formation of iron sulfate on the surface of ashes.Finally, we investigated the photochemical interactions of O3 and NO2 with minerals dustaerosols in the flow tube reactor showing a good agreement with previous data obtained onmacroscopic surfaces

Les particules environnementales, particulièrement nanoparticules (NP), présentent un risque potentiel pour la santé humaine et les écosystèmes en raison de leur ubiquité, de leurs caractéristiques et de leurs propriétés spécifiques. Plus particulièrement les NP ont une mobilité extrêmement élevée dans l'environnement, une capacité à associer, voire à concentrer des éléments toxiques et à pénétrer dans les organismes vivants. Les nanoparticules doivent donc être considérées avec une attention particulière dans les études environnementales. Néanmoins, l'étude des NP dans l'environnement demeure un défi pour la chimie analytique. En effet, les nanoparticules dans un échantillon environnemental polydispersé peuvent représenter seulement un millième ou moins de la masse de l'échantillon global. Par conséquent, une masse d'échantillon considérable doit être manipulé pour séparer une quantité de nanoparticules suffisante pour leur caractérisation dimensionnelle et leur quantification. L’ensemble des techniques de fractionnement par flux−force (FFF) peut servir de base pertinente pour le développement d'une méthodologie applicable à l'étude des NP environnementales.Cette thèse de doctorat se concentre sur l'utilisation des techniques de fractionnement flux-force asymétrique et en colonne tournante (A4F et CTFFF, respectivement) dans l’étude d’échantillons environnementaux de particules. Les résultats obtenus mettent en évidence les avantages de l'utilisation de ces techniques appliquées à des nanoparticules de cendres volcaniques. Il convient de souligner que la technique de CTFFF a une capacité de séparation accrue par rapport à l’A4F, tandis que l’A4F a une grande résolution. La CTFFF a été utilisée pour la séparation de NP d’échantillons de cendres volacniques. Une nouvelle procédure de fractionnement en colonne tournante a également été proposée. La caractérisation dimensionnelle et élémentaire de ces NP a été réalisée en utilisant le couplage entre l'A4F, la diffusion de la lumière multi-angle et l'ICP-MS. Complémentairement, la stabilité de ces nanoparticules y est abordée
Environmental particles, especially nanoparticles (NPs), have a potential risk for human health and ecosystems due to their ubiquity, specific characteristics and properties (extremely high mobility in the environment, abilities of accumulation of toxic elements and penetration in living organisms) and, hence, should be scrutinized. The study of environmental NPs remains a challenge for analytical chemistry. In fact, NPs in a polydisperse environmental sample may represent only one thousandth or less of the bulk sample. Consequently, a considerable sample weight must be handled to separate amount of NP fraction sufficient for their dimensional and quantitative characterization. The group of field-flow fractionation (FFF) techniques can serve as a relevant basis for the development of methodology applicable to the study of environmental NPs.This doctoral thesis focuses on the use of asymmetrical flow and coiled tube field-flow fractionation techniques (A4F and CTFFF, respectively) in the investigation of environmental particulate samples. The results obtained demonstrate the advantages of these techniques applied to the study of volcanic ash nanoparticles. It should be highlighted that CTFFF technique has an increased separation capacity as compared to A4F, while A4F has an increased resolution. CTFFF was applied to the separation of NPs from environmental samples and a new coiled tube field-flow fractionation procedure was proposed. Dimensional and elemental characterization was carried out using A4F coupled to laser light scattering and ICP-MS. Furthermore, the results related to the investigation of stability of environmental nanoparticles are also given

Les cendres volcaniques issues des différents mécanismes de fragmentation ont diverses textures et morphologies externes. Chaque particule de cendre peut donner des informations sur son propre environnement et sur les mécanismes de formation. On peut définir un régime de fragmentation et la quantité de l'eau qui participe au processus de fragmentation. Actuellement, les cendres volcaniques ont surtout fait l'objet d'approches qualitatives. En effet, la complexité et la variabilité des formes des particules volcaniques rendent l'approche quantitative difficile et la caractérisation numérique des textures de surface des cendres volcaniques, en raison de sa complexité, est encore mal définie. Des descriptions de surface simples et bien définies sont présentées dans cette étude. On se base sur le fait que la variation de niveau de gris est liée à la variation de rugosité de la surface. Ici, des valeurs de niveau de gris ont été employées sous une forme correspondant aux valeurs z vertical sur la surface. Les inconvénients et les avantages de la simplicité de la méthode sont discutés. Sept paramètres de rugosité (Rq, Ra, Rsk, Rku, Rv, Rp, Rt), trois paramètres de quadtree (nQT, mQT, sQT) et dimension de fractale sur des surfaces de cendres sont mesurés. Une analyse de gradient basée sur des opérateurs de Sobel a été exécutée et des parcelles de terrain polaires ont été produites, sur la base de la fréquence des gradients. Différents paramètres de forme, tels que le facteur de forme, la compacité, l'arrondi, l'allongement, la solidité, la convexité et les dimensions de fractale sont calculés sur les parcelles de terrain polaires. Des échantillons provenant de l'activité variée de 5 volcans ont été choisis pour l'analyse 2D : Nemrut, Erciyes (Turquie), Galunggung (Indonésie), Villarica (Chili), Miyakejima (Japon). Cependant, des images tridimensionnelles permettent à différents dispositifs morphologiques d'être mieux interprétés et mesurés. En conséquence, des coupes de particules, la stéréoscopie et le meulage commandé ont été employés pour acquérir une reconstruction 3D. Des paramètres externes sont calculés sur les surfaces 3D des particules des cendres du volcan Villarica. Les paramètres externes sont employés pour regrouper les différents types de particules selon leurs mécanismes de framentation et en particulier pour séparer les changements de styles en cours d'éruptions, liés au rapport eau/magma. Les paramètres de morphologie de surface optima ont été déterminés à l'aide des corrélations entre les paramètres de surfaces qualitatif, la porosité, l'abondance des xénolithes, les rapports de masse eau-magma (R) et des paramètres de surfaces quantitatifs. On admet que Ra et Rq sont des paramètres de rugosité sensibles à la micro-rugosité (par exemple à la poussière fine) tandis que d'autres paramètres de rugosité, Rsk et Rku, mesurent la macro-rugosité liée aux cavités de surface (vésicules). En effet, le paramètre de quadtree nQT, la dimension de fractale des surfaces et la solidité des parcelles de terrain polaires ont aussi la même réponse à la micro-rugosité, semblable à Ra et Rq. En raison de l'intérêt croissant pour les propriétés externes de matériaux normaux, les paramètres des surfaces proposés dans cette étude peuvent être appliqués aux surfaces de divers matériaux normaux

Deposes en antarctique de l'est au cours des 4 derniers cycles climatiques, les aerosols volcaniques (5-50 m) et continentaux (2-3 m) de la carotte de vostok constituent des traceurs de circulations atmospheriques pasees. Pour reconstruire leurs trajectoires tropospheriques, il est necessaire d'identifier leurs sources (volcans ou regions desertiques). Pour cela, on compare les caracteristiques geochimiques (elements majeurs microsonde electronique, traces icpms et compositions isotopiques tims) des aerosols avec les caracteristiques des sources potentielles repertoriees. Nous avons du adapter ces methodes analytiques a la taille des aerosols et a leur faible quantite. Les caracteristiques geochimiques des volcans sources s'appuient sur une synthese bibliographique. On montre que les cendres proviennent essentiellement de l'arc volcanique des iles sandwichs, mais aussi d'antarctique de l'ouest et d'amerique du sud. De plus, certains horizons sont des marqueurs stratigraphiques pour dater (141 ka) et correler les carottes. Les caracteristiques isotopiques (sr et nd) des regions desertiques d'afrique du sud, d'australie, d'amerique du sud, d'antarctique et de nouvelle zelande sont mesurees sur des echantillons preleves in situ. Il est necessaire d'utiliser, pour la comparaison avec les aerosols, la fraction granulometrique inferieure a 5 m. Il est montre que les poussieres continentales proviennent de la patagonie en periode interglaciaire (flux 1,5 mg/m#2/an) comme en glaciaire (20 mg/m#2/an). Une partie de cette augmentation de flux s'explique par la presence de vastes epandages de materiel detritique fluvio-glaciaire qui recouvrent en periode glaciaire la patagonie et le plateau continental argentin emerge. Les sources des aerosols sont donc localisees, quelle que soit la periode climatique, dans une region situee du cote atlantique de l'antarctique, aux moyennes et hautes latitudes. Le transport des particules est assure par un courant d'ouest circumpolaire convergent vers l'antarctique. Ce travail montre que, a partir des aerosols volcaniques et continentaux, on peut obtenir des paleo-informations dynamiques qui, au travers des correlations, des datations, ou des modeles de circulation atmospherique globaux, sont utiles aux reconstitutions des climats du passe.

Déposés en Antarctique de l'Est au cours des 4 derniers cycles climatiques, les aérosols volcaniques (5-50 )um) et continentaux (2-3 )um) de la carotte de Vostok constituent des traceurs de circulations atmosphériques passées. Pour reconstruire leurs trajectoires troposphériques, il est nécessaire d'identifier les sources (volcans ou régions désertiques) à l'origine des émissions des cendres et des poussières continentales. Pour cela, on compare les caractéristiques géochimiques des aérosols avec les caractéristiques des sources potentielles répertoriées. Ces analyses reposent sur les concentrations en éléments majeurs (obtenues par microsonde électronique), en éléments traces (ICPMS), et sur les compositions isotopiques en Strontium et Néodyme (TIMS). Nous avons dû adapter ces méthodes analytiques à la petite taille des aérosols et à leur très faible quantité. Les caractéristiques géochimiques des volcans sources potentiels (latitude>30oS, activité<-500 ka) sont basées sur une synthèse bibliographique. On montre que les cendres des horizons volcaniques analysés proviennent essentiellement de l'arc volcanique des îles Sandwichs (situé dans l'Atlantique Sud, à 5000 km), mais aussi d'Antarctique de l'Ouest et d'Amérique du Sud. De plus, certains horizons peuvent être utilisés comme marqueurs stratigraphiques pour dater (e.g. 141 ka) et corréler les carottes. Les caractéristiques isotopiques (Sr et Nd) des régions désertiques d'Afrique du Sud, d'Australie, du Sud de l'Amérique du Sud, d'Antarctique et de Nouvelle Zélande sont mesurées sur des échantillons prélevés in situ. On remarque qu'il est nécessaire d'utiliser, pour la comparaison avec les aérosols, la fraction granulométrique inférieure à 5 um. Il est ainsi montré que les poussières continentales déposées à Vostok au cours des 4 derniers cycles climatiques proviennent de la Patagonie en période interglaciaire (flux -1,5 mg/m2/an) comme en période glaciaire (flux -20 mg/m2/an). Une partie de cette augmentation de flux peut être expliquée par la présence de vastes épandages de particules détritiques fluvio-glaciaires qui recouvrent, en période glaciaire, la Patagonie et le plateau continental argentin émergé. L'ensemble des sources des aérosols volcaniques et continentaux est donc localisé, quelle que soit la période climatique, dans une région située du côté Atlantique de l'Antarctique, aux moyennes et hautes latitudes. Le transport des particules semble quant à lui être assuré par un courant d'ouest circumpolaire convergent versl'Antarctique. Ce travail montre donc que, à partir des aérosols volcaniques et continentaux, on peut obtenir des paléo-informations dynamiques qui, au travers des corrélations, des datations, ou des modèles de circulation atmosphérique globaux, seront utiles aux reconstitutions des climats du passé.

Au Mexique, le mot tepetate désigne certains horizons indurés de cendres volcaniques, à consistance de roche, mis à nu par l'érosion anthropique des sols. Les tepetates étudiés ici se localisent au piémont de la Sierra Nevada, dans une zone climatique semi-aride à saison sèche de 5 à 6 mois et pluviosité de 600 à 800 mm/an. La consistance dure à l'état sec s'explique par le fait que le matériau originel du tepetate est un tuf. La cohésion de la matrice est renforcée par l'empilement des minéraux argileux (interstratifiés 1:1/2:1) en plaquettes orientées face à face. Un drainage restreint a provoqué l'accumulation d'argiles illuviées et éventuelle d'oxyhydroxydes de fer et de manganèse, qui colmatent une partie des macropores et des fissures. L’intercalation de silice non cristalline (gel, opale A) a renforcé l'arrangement déjà compact hérité du tuf. La présence d'argiles 2:1 smectitiques et le cycle annuel des saisons humide et sèche sont responsables de la variation des propriétés du tepetate de type fragipan, à savoir: dureté à l'état sec, friabilité et plasticité à l'état humide

Les processus d’interaction solide-liquide régulent les mécanismes qui régissent la disponibilité des oligo-éléments en phase liquide. Dans cet article, ces processus ont été étudiés grâce à l'utilisation des éléments de terres rares (REE), car ils sont d'excellents traceurs des processus géochimiques. Le but de la première partie de ce travail était d'étudier la réactivité des particules volcaniques lors de l'interaction avec l'eau de la mer synthétique. Les résultats montrent que en dehors de la dissolution, qui est le processus principal, un procédé d'adsorption de surface se produit également, probablement sur la surface des cristaux nouvellement formé. La présence supposée de ces minéraux est suggéré par la variation temporelle de l'Y/Ho, des observations SEM et analyse XRD. Enfin, l'ajout des ligand dissous ne pas augmenter le taux de dissolution des particules volcaniques, mais modifiant la distribution de REE en phase liquide. Dans la deuxième partie de ce travail, l'étude des terres rares a été appliquée à un système humain. Ces éléments ont été utilisés, en fait, d'enquêter sur les fluides du poumon (BAL) chez les personnes exposées aux retombées de cendres volcaniques. Le résultat suggère que la co-précipitation du YLn-phosphates se produisent dans les poumons, à la suite de l'inhalation de particules volcaniques. Ce processus est confirmé par des simulations thermodynamiques et cinétiques indiquant que la cristallisation de YLn-phosphates et d'autres phases authigènes apparaît comme la conséquence de la dissolution de la fraction solubles de cendres
The solid-liquid interaction processes regulate the mechanisms governing the availability of trace elements in liquid phase. In this paper, these processes have been studied through the use of the Rare Earth Elements (REE) since they are excellent tracers of geochemical processes. The purpose of the first part of this work was to study the reactivity of volcanic particulates during the interaction with synthetic seawater. The results show that apart from the dissolution, which is the main process, a surface adsorption process also occurs, probably on the surface of newly formed crystals. The supposed presence of these minerals is suggested by the temporal variation of the Y/Ho ratio, by SEM observations and XRD analysis. Finally the addition of ligand species to dissolved media does not increase dissolution rate of volcanic particles but modify the YLn distribution in liquid phase. In the second part of this work, the Rare Earth study was applied to a human system. These elements were used, in fact, to investigate the effects due to the interactions between the inhaled atmospheric particulate matter and the lung fluids (BAL), in people exposed to fallout of volcanic ash. The results suggest that YLn-phosphate co-precipitation occurs in lungs as a consequence of inhalation of volcanic particles and their interactions with lung fluids. This process is confirmed by thermodynamic and kinetic simulations indicating that crystallisation of YLn-phosphates and other authigenic phases occurs as a consequence of the soluble ash fraction dissolution. The combination of YLn fractionation in bronchial fluids can represent a potential tracer of exposure to atmospheric fallout